深入理解Java内存模型(七):总结 - Sanarous的博客

深入理解Java内存模型(七):总结

处理器内存模型

顺序一致性内存模型是一个理论参考模型,JMM 和处理器内存模型在设计时通常会把顺序一致性内存模型作为参照。JMM 和处理器内存模型在设计时会对顺序一致性模型做一些放松,因为如果完全按照顺序一致性模型来实现处理器和 JMM,那么很多的处理器和编译器优化都要被禁止,这对执行性能将会有很大的影响。

根据对不同类型读 / 写操作组合的执行顺序的放松,可以把常见处理器的内存模型划分为下面几种类型:

  1. 放松程序中写 - 读操作的顺序,由此产生了 total store ordering 内存模型(简称为 TSO)。
  2. 在前面 1 的基础上,继续放松程序中写 - 写操作的顺序,由此产生了 partial store order 内存模型(简称为 PSO)。
  3. 在前面 1 和 2 的基础上,继续放松程序中读 - 写和读 - 读操作的顺序,由此产生了 relaxed memory order 内存模型(简称为 RMO)和 PowerPC 内存模型。

注意,这里处理器对读 / 写操作的放松,是以两个操作之间不存在数据依赖性为前提的(因为处理器要遵守 as-if-serial 语义,处理器不会对存在数据依赖性的两个内存操作做重排序)。

下面的表格展示了常见处理器内存模型的细节特征:

内存模型名称对应的处理器Store-Load 重排序Store-Store 重排序Load-Load 和 Load-Store 重排序可以更早读取到其它处理器的写可以更早读取到当前处理器的写
TSOsparc-TSOX64YY
PSOsparc-PSOYYY
RMOia64YYYY
PowerPCPowerPCYYYYY

在这个表格中,我们可以看到所有处理器内存模型都允许写 - 读重排序,原因在第一章以说明过:它们都使用了写缓存区,写缓存区可能导致写 - 读操作重排序。同时,我们可以看到这些处理器内存模型都允许更早读到当前处理器的写,原因同样是因为写缓存区:由于写缓存区仅对当前处理器可见,这个特性导致当前处理器可以比其他处理器先看到临时保存在自己的写缓存区中的写。

上面表格中的各种处理器内存模型,从上到下,模型由强变弱。越是追求性能的处理器,内存模型设计的会越弱。因为这些处理器希望内存模型对它们的束缚越少越好,这样它们就可以做尽可能多的优化来提高性能。

由于常见的处理器内存模型比 JMM 要弱,java 编译器在生成字节码时,会在执行指令序列的适当位置插入内存屏障来限制处理器的重排序。同时,由于各种处理器内存模型的强弱并不相同,为了在不同的处理器平台向程序员展示一个一致的内存模型,JMM 在不同的处理器中需要插入的内存屏障的数量和种类也不相同。下图展示了 JMM 在不同处理器内存模型中需要插入的内存屏障的示意图:

img

如上图所示,JMM 屏蔽了不同处理器内存模型的差异,它在不同的处理器平台之上为 java 程序员呈现了一个一致的内存模型。

JMM,处理器内存模型与顺序一致性内存模型之间的关系

JMM 是一个语言级的内存模型,处理器内存模型是硬件级的内存模型,顺序一致性内存模型是一个理论参考模型。下面是语言内存模型,处理器内存模型和顺序一致性内存模型的强弱对比示意图:

img

从上图我们可以看出:常见的 4 种处理器内存模型比常用的 3 中语言内存模型要弱,处理器内存模型和语言内存模型都比顺序一致性内存模型要弱。同处理器内存模型一样,越是追求执行性能的语言,内存模型设计的会越弱。

JMM 的设计

从 JMM 设计者的角度来说,在设计 JMM 时,需要考虑两个关键因素:

  • 程序员对内存模型的使用。程序员希望内存模型易于理解,易于编程。程序员希望基于一个强内存模型来编写代码。
  • 编译器和处理器对内存模型的实现。编译器和处理器希望内存模型对它们的束缚越少越好,这样它们就可以做尽可能多的优化来提高性能。编译器和处理器希望实现一个弱内存模型。

由于这两个因素互相矛盾,所以 JSR-133 专家组在设计 JMM 时的核心目标就是找到一个好的平衡点:一方面要为程序员提供足够强的内存可见性保证;另一方面,对编译器和处理器的限制要尽可能的放松。下面让我们看看 JSR-133 是如何实现这一目标的。

为了具体说明,请看前面提到过的计算圆面积的示